鄭世貴,張帥,宮偉偉

(中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部,北京100094)

1 引言

作為空間碎片防護(hù)成果集大成者的國(guó)際空間站,采用了Whipple和填充式防護(hù)結(jié)構(gòu),填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)用于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),Whipple用于其它區(qū)域,超高速撞擊試驗(yàn)表明最大可以抵御1.35cm直徑的鋁彈丸撞擊,依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了撞擊極限方程,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明,單艙非擊穿概率PNP(Probability of No Penetration)達(dá)到0.98以上,整體PNP 達(dá)到0.81[1～4]。

我國(guó)空間站作為中國(guó)正在研制的大型長(zhǎng)壽命載人航天器,由三個(gè)主要艙段在軌對(duì)接組裝形成,其在軌壽命將達(dá)到10年以上,期間還會(huì)進(jìn)行多次貨運(yùn)飛船、載人飛船的交會(huì)對(duì)接組合飛行?？臻g站運(yùn)行在高度為400km左右的軌道上,空間碎片環(huán)境惡劣,其遭受空間碎片撞擊而失效的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)之前中國(guó)的任一航天器[5～6]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明,如果不采取任何防護(hù)措施,空間站的PNP幾乎為零;而全部采用 Whipple防護(hù),其PNP僅為0.3左右,因此必須采用先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間碎片防護(hù)才能達(dá)到防護(hù)要求。

根據(jù)空間站的功能要求以及重量、空間等約束,設(shè)計(jì)有三類填充式防護(hù)構(gòu)型。針對(duì)三類填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了超高速撞擊試驗(yàn),獲取了0°3.1km/s、30°3.1km/s、 0°6.4km/s、 30°6.4km/s 四類狀態(tài)的撞擊極限。并建立了三類填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限方程,為后續(xù)空間站的空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

2 填充式防護(hù)構(gòu)型

空間站采用的填充式防護(hù)構(gòu)型如圖1所示。圖中V是彈丸速度,S為緩沖屏與艙壁的間距,S1是緩沖屏與填充層的間距,S2是填充層與艙壁的間距。

圖1 填充式防護(hù)構(gòu)型圖Fig.1 The stuffed Whipple structure

空間站設(shè)計(jì)有3類填充式防護(hù)構(gòu)型。第一類防護(hù)構(gòu)型 (代號(hào)SW1)的緩沖屏材料為鋁合金5A06,距離填充層約100mm;艙壁為鋁合金5A06,距離填充層約17.5mm。第二類防護(hù)構(gòu)型(代號(hào)SW2)的緩沖屏材料為鋁合金3A21,距離填充層約60mm;艙壁為鋁合金5A06,距離填充層約17.5mm。第三類防護(hù)構(gòu)型 (代號(hào)SW3)的緩沖屏材料為鋁合金3A21,距離填充層約100mm;艙壁為鋁合金5A06,距離填充層約21.5mm。三類防護(hù)構(gòu)型的填充層都為3層玄武巖纖維布和3層芳綸纖維布。相對(duì)于彈丸撞擊方向,填充層材料依次為玄武巖纖維布和芳綸纖維布。玄武巖纖維布面密度0.096g/cm2,芳綸纖維布面密度0.06g/cm2。

3 撞擊試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)件構(gòu)型

在圖1所示的填充式構(gòu)型基礎(chǔ)上,在艙壁下端距離艙壁50mm處增加1mm厚的5A06鋁板作為觀察屏,進(jìn)而形成試驗(yàn)件構(gòu)型,參見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)件Fig.2 The test piece

3.2 彈丸

空間碎片為在地球軌道上或再入到大氣層中的已失效的一切人造空間物體 (包括它們的碎塊和部件)。微流星體為塵埃大小的流星體,通常指質(zhì)量小于1g的流星體。

空間站運(yùn)行于軌道高度350km～400km、傾角為42°～43°范圍內(nèi),在此范圍內(nèi),毫米級(jí)空間碎片通量約為微流星體的5倍。空間碎片平均密度約2.8g/cm3,微流星體平均密度約1.0g/cm3。

綜合通量和密度,空間站面臨的撞擊源主要是空間碎片,因此地面試驗(yàn)彈丸應(yīng)盡量表征空間碎片的材料特性,彈丸材料一般選擇2A12鋁合金。為減少?gòu)椡栊螤顚?duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響一般選擇標(biāo)準(zhǔn)球形彈丸。

3.3 撞擊速度

防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線存在兩個(gè)拐點(diǎn),即低速拐點(diǎn)和高速拐點(diǎn),拐點(diǎn)速度數(shù)值會(huì)隨撞擊角 (碎片撞擊方向與靶板平面法向的夾角)的變化而變化,對(duì)于0°撞擊,拐點(diǎn)速度分別為2.6km/s和6.5km/s。因此防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊曲線可分為3段,小于低速拐點(diǎn)彈丸完整未破碎,撞擊極限隨速度提高以指數(shù)規(guī)律下降;中間速度段彈丸會(huì)破碎和熔化,撞擊極限隨速度提高基本以線性規(guī)律上升;大于高速拐點(diǎn)彈丸會(huì)氣化,撞擊極限隨速度提高以指數(shù)規(guī)律下降。

空間碎片相對(duì)空間站的撞擊速度為0～15km/s,平均撞擊速度約10km/s。微流星體相對(duì)空間站的撞擊速度為11km/s～72.2km/s,平均撞擊速度約19km/s。國(guó)內(nèi)用于模擬毫米級(jí)空間碎片撞擊的超高速發(fā)射設(shè)備為二級(jí)輕氣炮,二級(jí)輕氣炮理論發(fā)射速度為2km/s～8km/s,但實(shí)際穩(wěn)定發(fā)射速度一般為2.5km/s～7km/s,7km/s～15km/s的撞擊極限曲線一般通過(guò)外延得到。

綜合撞擊極限曲線特點(diǎn)和發(fā)射設(shè)備能力,國(guó)內(nèi)常規(guī)的做法是通過(guò)試驗(yàn)獲取彈丸破碎/熔化區(qū)的防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限,彈丸完整區(qū)和氣化區(qū)的撞擊極限根據(jù)各個(gè)區(qū)撞擊極限曲線的一般規(guī)律獲取。

綜上所述,對(duì)于空間站防護(hù)結(jié)構(gòu),選取兩個(gè)速度點(diǎn),即低速選取3.0km/s、高速選取6.3km/s是比較合理的,這樣充分考慮了撞擊極限曲線特點(diǎn),能以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得撞擊極限曲線,也兼顧了試驗(yàn)設(shè)備能力。

3.4 撞擊角

撞擊角為0°的撞擊試驗(yàn)是基線試驗(yàn)。實(shí)際上,空間碎片0°撞擊空間站的概率很小,絕大多數(shù)是非0°撞擊。因此撞擊極限方程需包含撞擊角參數(shù)以表征防護(hù)結(jié)構(gòu)在斜撞擊情況下的特性,進(jìn)而才能準(zhǔn)確評(píng)估空間站的非擊穿概率。所以除了要開(kāi)展0°撞擊試驗(yàn)外,還需開(kāi)展非0°的撞擊試驗(yàn)。

撞擊角在60°～90°內(nèi)的撞擊威脅較小,甚至撞擊角大于65°后,多半會(huì)發(fā)生 “跳彈”現(xiàn)象。撞擊角如果接近0°,受限于試驗(yàn)誤差,其撞擊極限可能會(huì)與0°的撞擊極限區(qū)別不明顯。撞擊角如果接近60°,由于撞擊能量損失嚴(yán)重,在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下撞擊極限可能無(wú)法獲取,因此撞擊角選取0°～60°的中間值30°,既考慮了試驗(yàn)?zāi)芰σ部紤]了試驗(yàn)效果。

綜合速度和撞擊角,每類試驗(yàn)件開(kāi)展四種撞擊狀態(tài)的試驗(yàn),即3.0km/s